CN103197354B - 数字式被动红外静止人体探测器及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，包括外壳、微控制器和PIR传感器，特征在于：PIR传感器的前端设置有菲涅尔透镜，PIR传感器和菲涅尔透镜之间安装有匹配反射镜，微控制器连接有电源模块、驱动电机和检测开关。本发明的探测方法，包括：a).背景噪声学习，形成背景噪声序列；b).动态人体探测；c).延时输出；d).判断是否进入静态探测；e).采集探测信号，形成探测信号序列；f).进行数字互相关运算；g).判断是否有静态人体存在。本发明的探测器和方法，摒弃和避免了以往被动式静态人体探测器的错误假设以及不能检测出静止状态下人体的弊端，可有效、准确地检测出探测区域中静止状态的人体，使得静态检测成为可能。

Description

数字式被动红外静止人体探测器及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种数字式被动红外静止人体探测器及其探测方法，更具体的说，尤其涉及一种采用探测信号与背景噪声进行数字互相关运算的数字式被动红外静止人体探测器及其探测方法。

背景技术

人体探测在安防监控的入侵探测和节能控制中有着十分重要的作用，常见的人体探测方式有超声波探测、微波探测等有源主动型和被动红外（PIR）热释电探测等无源被动型两大类。超声波和微波人体探测是基于多普勒效应而制成的，只能检测出运动的人体，是一种动态的人体检测技术，无法检测处于静止状态的人体。同时这两种探测方式会产生一定的能量辐射，长时间处于这种环境下会对人体造成一定的伤害。因此，不适合于节能控制的使用要求。

被动红外人体探测是基于热释电的原理而工作的，探测器本身不发射任何形式的能量，而只是被动接收、探测来自环境的红外辐射能量或能量变化来完成探测目的。是节能控制中人体探测的主要手段。被动红外人体探测器主要由菲涅尔透镜、热释电红外传感器和信号处理等三部分组成。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外传感器上，同时产生交替变化的红外视区和盲区，以适应热释电传感器要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器把人体的红外信号转换为电信号；信号处理把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、比较和延时，形成稳定的人体控制信号输出。

被动式红外人体探测器主要缺点有：1）、信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；2）、只能探测运动的人体，当人体静止时，探测器检测不到人体的存在；3）、环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；4）、被动红外探测器的主要检测运动方向为切向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。

静态人体探测常用的方法

静止状态的人体探测是节能控制中对人体探测的特殊要求，因为节能控制的对象是照明灯具、风扇、空调和电暖器等电器设备，使用场合是室内处于坐姿状态下工作与学习的人体。这种状态下的人体基本上没有运动状态，只有上肢的微小动作，可以称为准静止状态。如果采用动态的被动人体探测器进行准静态的人体探测，探测器的检测精度很差，无法检测到准静态人体的存在，就会判断为没有人体的存在而误关闭所控制的设备。待人体一有运动后，又检测到人体的存在而开启设备。这样就会造成设备的频繁启停，不但影响人员的工作学习效率，还会缩短设备的使用寿命。因此，为了克服上述问题，就必须对被动红外人体探测进行改造，使其具有静态的人体探测功能。

目前静态人体探测方式主要有：红外图像处理、生命探测雷达和改进型的热释电被动红外探测等方式。红外图像处理和生命探测雷达价格不菲，难以在节能控制中得到应用，而且生命探测雷达由于有微波辐射，只能应用于灾害中被埋人员搜救、反恐斗争中隔墙监控及战场侦察等特殊领域，不能用于人员长期滞留环境的节能控制中。由此，改进型的被动红外静态人体探测就成了节能控制的唯一选择。

改进型被动红外探测器主要有基于红外测温原理和相对运动原理两种，这些改进的专利不下二十余种，时间最长有七八年，但目前市场上仍然没有一种成熟实用的产品面世，究其原因就是这些专利都没有经过严格的理论计算和实际的实验测试，大多是理论的想象，认为只有人体是发射红外线的，而室内其它物体是不发射红外线的。实际应用中误检测率很高，没有应用价值和达到专利应有的静态检测的效果，下面分别进行分析。

斩光式静态人体探测技术

公开号CN201234378、CN201696320U、CN102607709A、CN102788646A 和CN2718902的中国专利采用的是斩光式人体探测技术，基本原理是在热释电传感器和菲涅尔透镜之间加装一个斩光器，利用电机或压电陶瓷的驱动，间歇遮蔽入射的红外线。这是红外测温常用的方法。在斩光器没有遮蔽传感器时，入射到传感器热释电晶体上的是包括人体在内的整个透镜探测范围内所有物体发射的红外辐射；斩光器遮蔽传感器时，入射到传感器热释电晶体上的是斩光器叶片上的红外辐射。这样在斩光器旋转时，输出电压就是两者之间的温差形成，由公式（1）给出。

（1）

式中，k为常数，为人体皮肤的辐射率，为人体温度，为室内物体的平均辐射率，为室内的平均温度，为斩光器叶片辐射率，为斩光器温度。即使斩光器叶片的辐射率和温度已知，人体体温和辐射率恒定，输出电压也是一个与室内平均温度和各种物体辐射率有关的二元方程。探测器自身又不可能得到其它辅助条件，因此，该方程是无解的。

如图1所示，给出了采用斩光式静态人体探测技术获取的实际测量波形图，图a为没有人时的波形，图b为有人时的波形，从波形上可以看出，两者之间并没有本质的区别，波形幅度与是否有人体存在之间不存在一一对应的关系，因此也就无法设定一个门限来判断是否有人体存在了。

在红外测温系统中，只有一个光学系统，并要求被测目标尺寸超过透镜视场大小的50%以上。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视场而干扰测温读数，造成误差。透镜视场中只有被测人体存在时，即公式(1)中没有和项的存在，只要测量出和，就可以测量出被测人体的温度。但是在人体探测中，由于探测范围的需要，透镜个数很多，如某种球面透镜有43个透镜，某种柱面透镜有24个透镜，人体只是处于其中一个透镜的视场中，其余为室内其它物体，在室温的条件下，所有物体辐射的红外波长与人体波长一致，同样可以引起热释电传感器的输出。因此，用这种方式的静态人体探测器误探测率极高，不具有实用价值。

相对运动型静态人体探测技术

第二种是利用探测器与静态人体之间相对运动的原理来进行静态人体探测的，基本出发点是运动的人体是人体在菲涅尔透镜的视区与盲区间运动能够造成热释电传感器上红外热量的变化，在人体静止不动时，让探测器运动起来也可以人为地模拟人体在透镜前的运动。这种相对运动可以分为三种运动方式，一是菲涅尔透镜的运动，公开号CN200972458、CN202583484U、CN201983863U的中国专利就是这种运动方式；二是热释电传感器运动，公开号CN200989946、CN102510601A的中国专利采用的就是这种方式；三是菲涅尔透镜与热释电传感器一起运动，探测器整体运动也可以理解为此种类型，公开号CN102510640A、CN2681126、CN1949001、CN202305019U、CN201004618、CN101285710、CN201149330、CN202025401U、CN201707454U、CN201766566U的中国专利就是这种运动方式。

从原理上来说这三种运动方式是等效的，其运动的结果都可以造成静止人体在菲涅尔透镜的视区与盲区之间的运动，也是能够产生相应信号输出的。那为什么在实际运行中又无法真正实现静态人体的检测呢？最主要的原因是，这些专利的前提是假设没有人体存在，运动的探测器是不会造成信号输出的；只有人体存在时才能产生信号输出。关于这一点从公开号CN201707454U“一种检测动静态人体的智能探测装置”的专利中就明确写明“根据相对运动的原理，相当于人体相对热释电传感器6和菲涅尔透镜12运动，完全模拟人体运动；如果没有人，无论怎样转动都不会有信号输出，如果有人，模拟人体运动后热释电会输出正常的动态人体信号，这样就能检测到静止的人体信号。”

图2是利用相对运动原理同一房间、同一时刻无人和有人存在时的实测波形图，从图中可以看出，没有人存在时，随着探测器的运动，同样有很大的波形输出，有人存在时，波形结构与无人基本一致，只是在背景噪声中增加了一些人体信号成分及分布罢了。当有传感器视区扫描到人体时，由于人体温度与比辐射率与周围物品不同，会产生一个信号输出，但是人体信号幅度不大，淹没在背景噪声中了。这就是相对运动型的静态人体探测器在实际应用时误判别概率很大的原因。不是识别不出有静止的人体存在而退化成一般的动态人体探测器；就是将无人存在判断为有人存在，不会关闭设备的电源而达不到应有的节能效果。

总结相对运动型人体探测专利中存在的问题，主要有：

（1）、无论何种运动方式，采用与动态人体检测相同的幅度判别法，不可能实现真正的静态人体检测；

（2）、需要如电机、减速齿轮和曲柄连杆等多种的机械运动部件，故障率高；

（3）、功率消耗大，检测时运动部件一直处于工作状态，功耗高，尤其是需要使用大功率的直流或交流电机的情况下，更是如此；

（4）、无法克服菲涅尔透镜分区与分区之间的死区问题，常用的菲涅尔透镜可以分为球面透镜和柱面透镜两种。无论是球面透镜还是柱面透镜，都会根据探测距离的不同要求分成若干个分区，如柱面透镜分成不同的层；球面透镜分成不同的同心圆都是分区。每个分区内再平均地分成若干个分段，每个分段都是一个独立的透镜单元。分段与分段之间，分区与分区之间是盲区，如图5所示。

在盲区内不管人体如何动作，都不可能被探测器检测到，因此又称为死区。当探测器运动时，都是沿透镜分段的方向旋转，这样可以使静止的人体处于探测器的切向运动方向，产生最高的灵敏度。同时也消除了分段与分段之间的盲区，就是说无论人体处于分段投影范围内的任何位置都可以检测到。但是，各个分区之间的死区依然存在，而且面积不小。如图5所示的第一分区与第二分区之间8.5～10.5米，第二分区与第三分区之间的4.5～6.5米都是分区之间的死区。在这些死区内，传感器晶体的投影扫描达不到这些区域，也就不可能检测到人体的存在。

（5）、没有给出最小的旋转角度和最佳的旋转速度；

（6）、人体探测的信号处理采用模拟技术，电路复杂，稳定性差。。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种采用探测信号与背景噪声进行数字互相关运算的数字式被动红外静止人体探测器及其探测方法。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，包括起固定和保护作用的外壳、用于运算和控制的微控制器以及将红外信号转化为电信号的PIR传感器，PIR传感器固定于运动部件上；其特别之处在于：所述PIR传感器的前端设置有起聚焦作用的菲涅尔透镜，微控制器连接有电源模块、可驱动运动部件相对于探测区域运动的驱动电机以及用于检测运动部件转动位置的检测开关。

外壳为探测器的壳体，微控制器具有信号采集、数据运算和控制输出的作用；在菲涅尔透镜的聚焦作用下，PIR传感器将运动或相对静止的外界人体发出的红外信号转化为电信号，以便微控制器检测出外界人体的存在。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，在PIR传感器与菲涅尔透镜之间设置有用于消除菲涅尔透镜盲区的匹配反射镜，所述PIR传感器的输出信号经A/D转换器的放大转换后接于微控制器的输入端；所述驱动电机为仪表步进电机，检测开关为光电开关。匹配反射镜根据红外光学反射特性进行设计，弥补了菲涅尔透镜的缺点，可有效消除菲涅尔透镜分区之间的盲区；A/D转换器对PIR传感器输出的信号具有放大、滤波和数模转换的作用；采用仪表步进电机，可精准控制和检测运动部件转动速度和角度。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，包括进行参数设置的遥控器和与微控制器相连接的遥控电路。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，所述菲涅尔透镜为球面菲涅尔透镜，PIR传感器、A/D转换器均固定于传感器电路板上，匹配反射镜固定于PIR传感器的前端，A/D转换器、PIR传感器、匹配反射镜和传感器电路板组成了运动部件；所述仪表步进电机固定于控制电路板上；球面菲涅尔透镜、控制电路板均固定于外壳上，仪表步进电机通过输出轴驱动运动部件转动。在探测器采用球面菲涅尔透镜的情况下，由于PIR传感器位于菲涅尔透镜的焦点上，此时驱动电机只需驱动PIR传感器运动，而菲涅尔透镜无需运动。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器，所述菲涅尔透镜为柱面菲涅尔透镜，PIR传感器、A/D转换器均固定于传感器电路板上，匹配反射镜固定于PIR传感器的前端；A/D转换器、菲涅尔透镜、PIR传感器、匹配反射镜以及传感器电路板组成了运动部件；所述仪表步进电机固定于控制电路板上，控制电路板固定于外壳上；运动部件下端通过轴承与外壳相连接，上端与仪表步进电机输出轴相连，仪表步进电机驱动运动部件以柱面菲涅尔透镜的焦点为旋转轴转动。在探测器采用柱面菲涅尔透镜的情况下，驱动电机需要驱动PIR传感器与柱面菲涅尔透镜一起运动。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a).背景噪声的学习，在被探测区域中没有人员存在的情况下，采集运动部件运动一个周期过程中的背景噪声，并将采集的数据进行存储，设第n个取样点采集的数据记为；，……记为标准背景噪声序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；b).动态人体探测，通过PIR传感器输出的信号，判断探测区域中是否有运动的人体存在，如果有运动的人体存在，执行步骤c)；如果没有运动的人体存在，则输出无人存在信号，重新执行步骤b)；c).延时输出，触发时间段为T1的延时电路，并在延时时间段T1内保持探测器输出人体存在的有效信号；d).判断是否进入静态探测，在时间段T1内，如果重新检测到有运动的人体存在，则延时从新计算；当延时到达时间段T1结束前的时，没有检测到运动人体后进入静态探测，执行步骤e)；e).采集探测信号，采集运动部件运动一个周期过程中的探测信号，并将采集的信号数据进行存储和运算，第n个取样点采集的数据记为；，……记为探测信号序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；

f).进行数字互相关运算，

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，公式（2）为背景噪声序列的能量，公式（3）为探测信号序列的能量；公式（4）为背景噪声与探测信号之间的互相关函数序列，公式（5）为归一化互相关函数序列，其中k为延时序号；g).判断探测区域中是否有人体存在，从归一化互相关函数序列中找出相关峰值，并判断相关峰值是否在静态判别门限以下，如果相关峰值在静态判别门限以下，则表明探测区域中有静态人体存在，跳转执行步骤c)，否则，表明探测区域中没有静态人体存在，探测器输出无人存在的有效信号。

步骤a)为探测器学习探测区域的背景噪声，并将其进行保存和记录，N为运动部件运动一个周期过程所采集的取样点数；步骤e)与步骤a)中所采集的N个取样点的位置应完全一致。步骤c)中所述的人体存在的有效信号，可以为高电平；步骤g)中，如果互相关函数序列的峰值在静态判别门限以下，表明实时采集的探测信号与作为参照的背景噪声信号差别较大，这是由于环境中有静态的人员存在造成的；如果互相关函数序列的峰值在静态判别门限以上，则认为采集的探测信号与作为参照的背景噪声信号比较一致，探测区域中没有静态的人体存在。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，步骤b)所述的动态人体探测包括以下步骤：b-1).动态门限值比较，将实时采集的信号与设定的门限值进行比较，如果不超过设定的门限值，则判断没有动态的人体存在；如果超过门限值，则执行步骤b-2)；b-2).判断是否为噪声干扰，判断超过门限信号的脉冲宽度是否小于100ms，如果小于100ms，则将其视为噪声干扰；如果脉冲宽度大于100ms，则判别为有动态的人体存在，执行步骤b-3)；b-3).判断信号是由动态人体产生的，输出有人存在的有效信号。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，步骤c)中所述的延时时间段T1为5min，步骤d)中所述的=30s；步骤g)中所述的静态判别门限为0.8。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，设M为球面菲涅尔透镜或柱面菲涅尔透镜中间分区的分段透镜数目，L为柱面菲涅尔透镜的透镜部分长度；透镜采用球面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

透镜采用柱面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

其中，f为柱面菲涅尔透镜的焦距，Z的单位为转/分钟。

本发明的有益效果是：本发明的数字式被动红外静止人体探测器，驱动运动部件转动的电机采用仪表步进电机，可精准地控制和检测运动部件的速度和转动角度，便于各取样点的信号采集。A/D转换器采用具有放大、滤波和数模转换功能的集成电路构成，避免了耦合电解电容的使用，有效地减小了处理电路的体积和重量。通过在菲涅尔透镜与PIR传感器之间设置匹配反射镜，消除了菲涅尔透镜的盲区。

本发明的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，首先，在探测区域的无人条件下，采集N个取样点的背景噪声，将其作为对比用的标准信号序列；然后，在静态检测过程中，也在相同的位置采集N个取样点，作为探测信号序列；最后，通过探测信号与标准信号的数字互相关运算，并提取互相关函数序列中的峰值，可准确地判断出探测区域中是否有静态的人体存在。本发明的探测方法，有效地摒弃和避免了以往被动式静态人体探测器的错误假设以及不能检测出静止状态下人体的弊端，可有效、准确地检测出探测区域中静止状态的人体，使得静态人体检测成为可能。

附图说明

图1为采用斩光式静态人体探测技术获取的实际测量波形图；

图2为相对运动型人体探测在无人和有人条件下获取的波形图；

图3为不同房间背景噪声的波形图；

图4为同一房间在阴天、晴天不同条件下的背景噪声波形图；

图5为菲涅尔球面透镜和柱面透镜探测范围示意图；

图6为本发明的被动红外静止人体探测器的原理图；

图7为人体探测器采用菲涅尔球面透镜的结构原理图；

图8为人体探测器采用菲涅尔柱面透镜的结构原理图；

图9为本发明中PIR信号处理电路的原理图；

图10为采用匹配反射镜所形成的折返式光学系统；

图11为本发明中光电开关的工作原理图；

图12为PIR传感器的频率响应；

图13为背景噪声与人体存在时的相关函数；

图14为本发明的人体探测器所采用的探测方法的流程图。

图中：1微控制器，2菲涅尔透镜，3匹配反射镜，4 PIR传感器，5 A/D转换器，6驱动电机，7电源电路，8遥控电路，9光电开关，10传感器电路板，11控制电路板，12外壳，13轴承。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

关于图2中有人、无人的波形基本一致，这一点很容易从理论上得到解释，处于绝对零度以上的所有物体都会辐射红外线，在室温附近（300°K）的所有物体辐射的红外波长与人体辐射的波长基本一致，都在10μm附近，正好落在传感器滤光窗的响应波长（7～14um）的中心，也就是说室温时所有物体发射的红外辐射都可以被传感器接收得到。

在实际室内环境中，红外辐射是变化的。首先室温分布是不均匀的，夏天靠近窗口的位置温度高，越往里越低；冬天靠近窗口的位置温度低，越往里越高。温度分布的不均匀会通过对流、传导和辐射等方式逐渐趋向平衡，平时这个过程十分缓慢，不会引起传感器的误检测。除非在刮风的时候，温度变化比较剧烈，也会造成探测器的误动作，这就是被动人体探测器抗刮风能力弱的原因。其次，即使室内温度分布均匀，室内也不可能没有门窗、桌椅等物品，这些物品是不同的材料制成的，根据斯蒂芬·玻耳兹曼定律：

(6)

式中，—绝对温度T 下的总能量，W·cm-2；ε—物体比辐射率；σ—常数；T—绝对温度K。从公式中可以看出，红外辐射的能量不但与温度有关，还与物体的比辐射率有关，比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。其值介于非辐射源的零和黑体的1之间，可用来度量辐射源接近黑体的程度。金属材料的比辐射率均较低，但随温度而增加，并且当表面形成氧化层后，比辐射率成十倍或更大倍数增加。非金属的比辐射率要高些，一般大于0.8，并随温度的增高而减小。人体皮肤的比辐射率为0.98。

室内温度的不均匀分布和物品不同比辐射率会由菲涅尔透镜汇聚在传感器的热释电晶体上，形成多幅红外图像（与整个透镜的单元个数有关）。这些图像在探测器静止时是固定不变化的，不会造成探测器的误检测。

根据收发互逆原理，探测器热释电传感器的两块晶体通过一个菲涅尔透镜的光轴，就会在探测区域投影出一个视区，其余部分为盲区。探测器转动时，是将视区在探测区域内进行扫描。室内所有物品形成的红外图像就会依次通过晶体表面，不均匀的红外辐射就会引起温度的变化，使传感器有信号输出。这就是产生无人存在时也会有信号输出的原因。这种无人存在也出现的信号就是背景噪声。

当传感器视区扫描到人体时，由于人体温度与比辐射率与周围物品不同，会产生一个信号输出，只是人体信号幅度不大，淹没在背景噪声中了。造成如图2所示的波形输出。背景噪声是变化的，不同房间、不同气候室温的背景噪声是不同的。图3为两间面积与朝向相同，桌椅布置不同的隔壁房间在同一时刻的背景噪声波形图。可以看出背景噪声与室内陈设密切相关；图4为同一房间在不同时刻的噪声波形图，图a为阴天背景噪声波形，图b为次日晴天的背景噪声波形。可以看出背景噪声会随着气候和室温的变化而变化。

在上述所有相对运动型的专利中，信号处理采用的都是常规的动态人体信号处理方式，即信号幅度判别法，超过设定的上下门限时，就判断为有人体存在，否则为无人存在。由于背景噪声很大，而且和房间室内陈设有关，随着气温的变化而变化。人体信号淹没在其中，因此没有方法设置一个门限来判别是否有静止的人体存在。

人体运动是人体相对于室内静止物体的运动，而探测器的运动则是人体与室内物体的同时运动，两者是不能完全等效的。这就是相对运动型的静态人体探测器在实际应用时误判别概率很大的原因。不是识别不出有静止的人体存在而退化成一般的动态人体探测器，需要人体故意做大的动作或站起来运动才能重新检测，严重影响使用效果；就是在人员离开后将背景噪声判别为有人存在，而不关闭用电设备，达不到应有的节能效果。

如图6所示，给出了本发明的被动红外静止人体探测器的原理图，其包括微控制器1、菲涅尔透镜2、匹配反射镜3、PIR传感器4、A/D转换器5、驱动电机6、电源电路7、遥控电路8以及光电开关9；所示的微控制器1具有采集、运算和控制作用，菲涅尔透镜2设置于PIR传感器4的前端，实现聚焦作用。匹配反射镜3设置于菲涅尔透镜2与PIR传感器3之间，用于消除菲涅尔透镜2的盲区。PIR（Passive infrared）传感器为被动红外传感器，用于将人体辐射的红外信号转化为电信号，A/D转换器5具有放大、滤波和数模转换功能，以便将PIR传感器4输出的信号直接转化为微控制器1可采集的数字信号。

驱动电机6采用仪表步进电机，用于驱动运动部件相对于探测区域运动；PIR传感器4固定于运动部件上。仪表步进电机6在微控制器1的控制作用下，可检测和控制运动部件的速度和转动角度。电源电路7用于提供探测器工作所需的直流电源；遥控电路8与微控制器1相连接，用于接收遥控器发出的进行参数设置的指令。光电开关9为检测开关，用于检测运动部件转动的角度。

如图7所示，给出了探测器采用球面菲涅尔透镜的结构原理图，所示的PIR传感器4、A/D转换器5均固定于传感器电路板10上，匹配反射镜3固定于PIR传感器4的前端，仪表步进电机6固定于控制电路板11上。A/D转换器、PIR传感器4、匹配反射镜3和传感器电路板10组成了运动部件。菲涅尔透镜2、控制电路板11均固定于外壳12上；仪表步进电机通过输出轴驱动整个运动部件转动，也就相当于驱动PIR传感器4进行转动。光电开关9设置于控制电路板11的下方，可实现对传感器电路板10转动角度的测量。将A/D转换器5设置于传感器电路板10上，A/D转换器5通过数据线与控制电路板11上的数字电路相连接，相当于实现了模拟信号与数字信号的隔离，避免了信号之间的干扰。

如图8所示，给出了探测器采用柱面菲涅尔透镜的结构原理图，所示的PIR传感器4、A/D转换器5均固定于传感器电路板10上，匹配反射镜3固定于PIR传感器4的前端，仪表步进电机6固定于控制电路板11上。A/D转换器5、菲涅尔透镜2、PIR传感器4、匹配反射镜3以及传感器电路板10组成了运动部件。控制电路板11固定于外壳12上；运动部件下端通过轴承13与外壳12转动连接，上端接仪表步进电机输出轴，仪表步进电机驱动整个运动部件以柱面菲涅尔透镜的焦点为旋转轴转动，也就相当于驱动PIR传感器4和柱面菲涅尔透镜一起绕焦点进行转动。光电开关9设置于控制电路板11的下方，可实现对运动部件转动角度的测量。

微控制器1采用基于ARM 32位的Cortex™-M3 CPU 为核心的微控制器，最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz运算速度 ，单周期乘法和硬件除法为静态人体信号的数字信号处理运算（DSP）提供了有利条件。2个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器可以方便地驱动步进电机。丰富的内部资源和外部接口十分适合与本探测器的使用。仪表步进电机采用为汽车仪表和其它指示设备而开发设计的微型步进电机，电机不需要复杂的驱动电路，可直接由微控制器（MCU）输出驱动。内部具有一套1：180的减速齿轮系统，在输出得到1/3度的分辨率。采用了24微步细分技术，使分辨率提高到1/12度，降低了低速运行时的抖动。由MCU的PWM信号可实现微步细分驱动，降低了成本，实现所需的最佳旋转速度和旋转角度，实现了整机的完全数字化。采用微型仪表电机的目的是可以直接和MCU系统直接兼容，大大降低了整机功耗、噪声和电磁干扰。同时可获得准确的旋转速度和角度信息，为静态人体信号的数字运算创造了条件。电机采用抗老化材料制造外壳与齿轮，能长期经受高低温变化和油污侵蚀，不会出现齿轮断裂或壳体分解的问题。内置的减速机构使得结构更简洁，从而成本更具优势。最大程度地减少了机械元件，延长了整机寿命。电机所有零部件由专业工厂精密制造，保证产品质量稳定可靠。提高了电机的稳定性能和长寿命 。

如图9所示，给出了PIR信号处理电路，即A/D转换器5的原理图，由于PIR传感器输出的信号幅度很小，只有mV数量级，为了后续的电路能够正常工作，通常的电路是采用两级运算放大器组成的放大滤波电路，提供65～72dB的增益和0.1～7Hz左右的通带。这种模拟的放大方式，要求使用大的电解电容作为耦合电容，电路体积大，重量重，安装到传感器电路板上需要大的电机才能驱动，同时性能不稳定，不利于整机性能的提高。为此，我们采用专用的传感器信号数字处理电路，即上文中提到的A/D转换器，它是专门为低噪声、微信号处理而设计的数字接口电路。内部集成了高灵敏度、高阻抗开关电容放大器作为传感器的微信号输入，同时内置14位分辨率的模数转换及一个数字式高性能二阶巴特沃斯低通滤波器，直接向微处理器提供单线输出的数字信号。

如图10所示，给出了采用匹配反射镜所形成的折返式光学系统图，其采用了专利公开号为CN201387418专利文献中技术，基本原理是在菲涅尔透镜和传感器之间增加一个匹配反射镜，将透镜分区之间死区的红外线经过匹配反射镜发射后重新进入传感器，从而消除了分区之间的死区。如图11所示，给出了光电开关9的工作原理图，在控制电路板上安装有两个检测开关，由反射式光电开关担任。反射式光电开关内部集成有红外发光管和光电三极管，都朝向上部的透光窗口，在它们光路相交的位置出现高反射物体时，光电三极管导通，否则截止。采用光电开关可以降低对驱动电机输出扭矩的要求，减小机械损耗，提高寿命。在球面透镜结构的传感器电路板10和柱面透镜结构的运动部件的最大旋转角度的位置上粘贴有两块反光率高的铝箔，当铝箔旋转到光电开关正下方时，由于铝箔的反射，光电开关输出高电平，其余位置都是低电平。这样就可以识别运动部件的精确位置。

如图12所示，给出了为PIR传感器的频率响应示意图，从曲线上可以看出，峰值在0.1～0.2Hz左右，在考虑到信号的耦合后，通常会偏移到0.3～0.7Hz，因此选择0.5Hz作为最佳频率是合适的。其次是由菲涅尔透镜数量选择旋转速度，一个透镜单元可以将PIR传感器的两个晶体投影为两个视区，且极性相反，这样透镜以1次/秒速度扫描时，可以形成1Hz的信号。整个透镜分为若干个分区，如球面透镜不同的同心圆，柱面透镜不同的层。由于运动都是沿着透镜分段的方向运动的，每个分段就是一个透镜单元。同一分区内透镜形成的频率相同，不同分区的频率不同。分区中分段数多的形成的频率高，分段数少的频率低。选择旋转速度就是确保各个分区透镜形成的频率都落入PIR传感器的响应范围内。设M为球面菲涅尔透镜或柱面菲涅尔透镜中间分区的分段透镜数目，L为柱面菲涅尔透镜的透镜部分的长度；透镜采用球面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

透镜采用柱面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

其中，f为柱面菲涅尔透镜的焦距，Z的单位为转/分钟。

优化旋转角度就是在实现整个探测范围内人体探测的基础上，尽量减小运动部件的旋转角度，以实现运动部件出线的方便和降低对数字运算量的要求。

对于球面透镜系统，它是一个原点对称系统，每个分区按照同心圆分布，这样，在传感器旋转时，传感器的两个长方形晶体就在分区内各个透镜单元内同步进行扫描。感应灵敏度最大的切向运动按照180°的规律重复出现，因此，它的最佳旋转角度为180°。就是只要旋转180°，在探测区域内任何位置的人体都可以形成一个有效的信号输出。

对于柱面透镜系统，它是一个轴对称系统，不能采用传感器旋转方式，只能采用整个人体探测单元（菲涅尔透镜与传感器）一起的旋转方式。相当于整个探测器绕旋转轴进行机械扫描，当旋转轴通过透镜的焦点时，可以使旋转的角度达到最小。透镜分布在柱面上，每个分区内的各个分段透镜之间都有一个固定的分布角度α，可以从具体的透镜手册上查到。探测器处于静止状态时，一般将整个运动部件位于外壳的中央，静态人体探测时采用先往一个方向旋转，再往另一个方向旋转，最后返回中间位置的往复式旋转方式。相当于每个透镜在静止位置左右各旋转了一个角度θ，当θ=α/2时，整个探测区域都可以被透镜的视区扫描到。各个分区透镜的分布角度α不同，分段多的分布角度小，分段少的分布角度大。一般选择最大的分布角度作为设计依据，即最佳的旋转角度等于最大分布角度的一半。

如图14所示，给出了本发明的人体探测器所采用的探测方法的流程图，其包括以下步骤：

a).背景噪声的学习，在被探测区域中没有人员存在的情况下，采集运动部件运动一个周期过程中的背景噪声，并将采集的数据进行存储，设第n个取样点采集的数据记为；，……记为标准背景噪声序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；

b).动态人体探测，通过PIR传感器（4）输出的信号，判断探测区域中是否有运动的人体存在，如果有运动的人体存在，执行步骤c)；如果没有运动的人体存在，则输出无人存在信号，重新执行步骤b)；

该步骤中，所述的动态人体探测包括以下步骤：

b-1).动态门限值比较，将实时采集的信号与设定的门限值进行比较，如果不超过设定的门限值，则判断没有动态的人体存在；如果超过门限值，则执行步骤b-2)；

b-2).判断是否为噪声干扰，判断超过门限信号的脉冲宽度是否小于100ms，如果小于100ms，则将其视为噪声干扰；如果脉冲宽度大于100ms，则判别为有动态的人体存在，执行步骤b-3)；

b-3).判断信号是由动态人体产生的，输出有人存在的有效信号；

c).延时输出，触发时间段为T1的延时电路，并在延时时间段T1内保持探测器输出人体存在的有效信号；T1由遥控器进行设定，可选取为5min；

d).判断是否进入静态探测，在时间段T1内，如果重新检测到有运动的人体存在，则延时从新计算；当延时到达时间段T1结束的前时，没有检测到运动人体后进入静态探测，执行步骤e)；该步骤中，可选取为30s；

e).采集探测信号，采集运动部件运动一个周期过程中的探测信号，并将采集的信号数据进行存储和运算，第n个取样点采集的数据记为；，……记为探测信号序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；

该步骤中，PIR传感器的转速和旋转角度应与步骤a)中的相同，N个取样点的位置也应完全与步骤a)中的一致；

f).进行数字互相关运算，

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，公式（2）为背景噪声序列的能量，公式（3）为探测信号序列的能量；公式（4）为背景噪声与探测信号之间的互相关函数序列，公式（5）为归一化互相关函数序列，其中k为延时序号；

g).判断探测区域中是否有人体存在，从归一化互相关函数序列中找出相关峰值，并判断相关峰值是否在静态判别门限以下，如果相关峰值在静态判别门限以下，则表明探测区域中有静态人体存在，跳转执行步骤c)，否则，表明探测区域中没有静态人体存在，探测器输出无人存在的有效信号；该步骤中，静态判别门限为可选取为0.8。

如图13所示，给出了背景噪声与人体存在时的相关函数，由于互相关峰值体现的是两个信号之间的相似程度。同一房间的背景噪声虽然会随气候和室温而变化，但变化程度不大，相似性依然很高。但有静态人体存在时，探测的信号中包含有人体信号成分，两者波形的相似程度大为降低。通过大量的测试证明，同一房间背景噪声的归一化互相关峰值在0.8以上，而有静态人体存在时，归一化互相关峰值在0.8以下。用0.8作为两者之间的判别门限，利用互相关函数抑制不相关“噪声”（人体信号）的能力，就可以从很强的背景噪声中把静态人体信号检测出来，实现准确无误的静止人体的识别。

无论探测器采用球面菲涅尔透镜还是采用柱面菲涅尔透镜，工作过程是一样的。探测器整机出厂时，设置一个默认的动态人体探测延时时间，背景噪声波形序列都为0。探测器安装到位后上电，每次上电后运动部件在微控制器1的控制下返回中心位置，以消除运输过程中位置的不确定性，保证最佳的探测范围。先用遥控器进行房间背景噪声的学习与存储的设置，这时运动部件开始往左旋转，遇到左检测开关后，电机停止，再往右开始旋转，遇到右检测开关后，电机停止，最后往左旋转到达中心位置。同时对PIR传感器的信号进行A/D转换，不断送到微控制器中，在运动部件运动结束后，微控制器将这个序列存入相应的存储空间中作为数字互相关运算的标准序列。

工作时，探测器先进行动态的人体识别，采用通常的幅度判别法，由程序设定的门限数值作为数字窗口比较器的门限值。将传感器处理电路送来的数值不断与这个门限值进行比较，不超过门限值就判别为无人，人体探测输出信号为低电平；超过门限电平值时，对超过门限值的脉冲宽度进行测量，如果脉宽小于100ms，判别为噪声干扰，输出仍然为低电平；否则判别为有动态的人体存在。

判别为动态人体存在后，触发一个数字延时电路，同时使人体探测信号输出为高电平。数字延时电路的延时时间为默认值，也可以通过遥控器修改为设定值。延时电路不断地减小数值，直至为0时延时结束，输出低电平，表示人员坐下或离开。在延时的同时，数字窗口比较器仍然不断地进行门限电平的比较和脉冲宽度测量，判断为动态人体信号时，不断将延时电路的延时时间返回设定值，这样就可以得到一个稳定的动态人体控制信号输出。如果在整个动态延时期间不再有动态人体检测信号出现，表明人员不是处于坐姿的静止状态就是离开探测区域。因此在动态延时结束前30秒钟，开始进入静态人体探测过程。

MCU（微控制器）先输出PWM信号直接驱动电机，运动部件在MCU的控制下开始按照程序设置的方向和速度开始旋转。同时，MCU进入静态人体探测算法运算过程，从传感器处理电路来的数据不与数字窗口比较器比较，避免背景噪声造成的误检测，而是存储到特定的存储空间中，并按照公式(2)、（3）、（4）和（5）开始归一化互相关系数的运算。并将得到的数据存入另外一个存储空间中，每进入一个新的数据，按照公式运算一次。这样在电机运动结束后，归一化互相关函数序列就运算完毕。之后，从归一化互相关系数系列中找出峰值数据，再与0.8进行比较。大于0.8则判断为没有静态人体存在，在动态延时结束时使控制输出变成低电平；小于0.8则判断为有静态人体存在，将动态延时时间返回设定值，重新开始延时过程。并将算法重新调整为动态人体探测算法，用于捕捉可能的动态人体信号，在动态延时结束前30秒又进入静态人体探测过程。直至人员离开，静态人体探测判断为无人存在，在延时结束时，输出低电平。这样就完成了整个的人体探测过程。电机只有在静态人体探测的10余秒钟内工作，整机的功率消耗很小。电机的损耗也很小，保证了整机的寿命。输出的人体探测信号可以和定时控制信号、照度控制信号或温度控制信号组合，用于照明灯具或空调的节能控制。

应当指出的是，尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，以上所述实施内容，是结合具体的优选实施方式的一种，是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，而是要求符合与本文所公开的思路和原理相一致的最宽的范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和算法的前提下，还可以做出若干简单改进或替换。在附权利要求书所限定的本发明的原理范围内，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，所述数字式被动红外静止人体探测器包括起固定和保护作用的外壳（12）、用于运算和控制的微控制器（1）以及将红外信号转化为电信号的PIR传感器（4），PIR传感器固定于运动部件上；所述PIR传感器的前端设置有起聚焦作用的菲涅尔透镜（2），微控制器连接有电源模块（6）、可驱动运动部件相对于探测区域运动的驱动电机（6）以及用于检测运动部件转动位置的检测开关；

所述探测方法包括以下步骤：

a).背景噪声的学习，在被探测区域中没有人员存在的情况下，采集运动部件运动一个周期过程中的背景噪声，并将采集的数据进行存储，设第n个取样点采集的数据记为 ；，……记为标准背景噪声序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；

b).动态人体探测，通过PIR传感器（4）输出的信号，判断探测区域中是否有运动的人体存在，如果有运动的人体存在，执行步骤c)；如果没有运动的人体存在，则输出无人存在信号，重新执行步骤b)；

该步骤b)所述的动态人体探测包括以下步骤：

b-1).动态门限值比较，将实时采集的信号与设定的门限值进行比较，如果不超过设定的门限值，则判断没有动态的人体存在；如果超过门限值，则执行步骤b-2)；

b-2).判断是否为噪声干扰，判断超过门限信号的脉冲宽度是否小于100ms，如果小于100ms，则将其视为噪声干扰；如果脉冲宽度大于100ms，则判别为有动态的人体存在，执行步骤b-3)；

b-3).判断信号是由动态人体产生的，输出有人存在的有效信号；

c).延时输出，触发时间段为T1的延时电路，并在延时时间段T1内保持探测器输出人体存在的有效信号；

d).判断是否进入静态探测，在时间段T1内，如果重新检测到有运动的人体存在，则延时从新计算；当延时到达时间段T1结束前的时，没有检测到运动人体后进入静态探测，执行步骤e)；

e).采集探测信号，采集运动部件运动一个周期过程中的探测信号，并将采集的信号数据进行存储和运算，第n个取样点采集的数据记为；，……记为探测信号序列，N为运算过程中所需采集的取样点数；

f).进行数字互相关运算，

（1）

（2）

（3）

（4）

其中，公式（1）为背景噪声序列的能量，公式（2）为探测信号序列的能量；公式（3）为背景噪声与探测信号之间的互相关函数序列，公式（4）为归一化互相关函数序列，其中k为延时序号；

g).判断探测区域中是否有人体存在，从归一化互相关函数序列中找出相关峰值，并判断相关峰值是否在静态判别门限以下，如果相关峰值在静态判别门限以下，则表明探测区域中有静态人体存在，跳转执行步骤c)，否则，表明探测区域中没有静态人体存在，探测器输出无人存在的有效信号。

2.根据权利要求1所述的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，其特征在于：步骤c)中所述的延时时间段T1为5min，步骤d)中所述的=30s；步骤g)中所述的静态判别门限为0.8。

3.根据权利要求1所述的数字式被动红外静止人体探测器的探测方法，其特征在于：设M为球面菲涅尔透镜或柱面菲涅尔透镜中间分区的分段透镜数目，L为柱面菲涅尔透镜的透镜部分长度；透镜采用球面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

透镜采用柱面菲涅尔透镜时，步骤b)和步骤e)中PIR传感器的转速Z为：

其中，f为柱面菲涅尔透镜的焦距，Z的单位为转/分钟。